Inversione di parametri di superfici classiche e frattali da misure di campo diffuso

Laurea specialistica Ingegneria delle Telecomunicazioni

 

Era generalmente accettata la definizione del telerilevamento come l'insieme di tecniche, strumenti e mezzi interpretativi che permettono di estendere e migliorare le capacità percettive dell'occhio umano, fornendo informazioni qualitative e quantitative su oggetti posti a distanza dal luogo d'osservazione. Le moderne tecniche di telerilevamento hanno ampliato il campo di indagine ben oltre alle informazioni legate allo spettro elettromagnetico comprendendo misure di campi di forze (gravitazionali, magnetico , elettrico) e utilizzando una grande quantità di strumenti (sistemi laser, ricevitori a radio frequenza, sistemi radar, sonar, dispositivi termici, sismografi, magnetometri, gravimetri, scintillatori). Oggi il telerilevamento comprende tecniche di analisi della radiazione elettromagnetica e dei campi di forze finalizzate ad acquisire ed interpretare dati geospaziali presenti sulla superficie terrestre, negli oceani e nell'atmosfera.
Le informazioni raccolte possono distare dall'osservatore da alcuni metri (Proximal Sensing) fino a migliaia di chilometri (Remote Sensing), come nel caso delle osservazioni effettuate dai satelliti. Il veicolo di informazione del telerilevamento generalmente è l'energia elettromagnetica, sia essa proveniente dal sole, emessa dalla terra o generata da strumenti radar o laser. L'energia elettromagnetica che trasporta le informazioni più utili nel campo del telerilevamento applicato allo studio del territorio è quella delle bande del visibile, infrarosso e delle microonde.
Solitamente il rilievo di una superficie effettuato con tecniche di telerilevamento prevede tre fasi distinte: la ripresa dei dati (da aereo, satellite o da terra), la loro elaborazione e l'analisi. Gli strumenti di rilievo utilizzati possono essere distinti in due categorie e cioè quelli che forniscono delle misure, come radiometri, spettrofotometri, scatterometri o altri, e quelli che forniscono delle immagini, cioè macchine fotografiche, dispositivi digitali di scansione, termocamere ecc.. Tutti gli strumenti da ripresa nel gergo tecnico vengono chiamati sensori. Una distinzione che può essere fatta è quella fra strumenti passivi e attivi: gli strumenti passivi misurano le radiazioni (siano esse emesse o riflesse) provenienti dalle superfici investigate mentre gli strumenti attivi provvedono essi stessi alla illuminazione delle superfici, captando poi la radiazione riflessa.
L'insieme di questi strumenti parallelamente alle moderne tecniche di analisi (interferometria SAR, analisi spettrale, alta risoluzione spaziale, etc.) rappresentano un metodo pratico, sistematico ed economico di mantenere ed aggiornare le informazioni sul mondo che ci circonda ed in particolare nei seguenti campi di applicazione:
· Agricoltura: gestione dei processi produttivi, verifiche di dettaglio di appezzamenti e tipologie di colture, inventario e previsione dei raccolti, controllo delle proprietà, valutazione dei danni post-calamità, etc;
· Scienze Forestali: cartografia forestale, gestione demaniale, monitoraggio aree deforestate o percorse da incendi, etc.;

· Geologia e Geologia Applicata: cartografia geologica, esplorazioni marine e terrestri, valutazioni di impatto ambientale, monitoraggio di attività estrattive, subsidenze, movimenti franosi, etc.;
· Topografia e Cartografia Tematica: realizzazione gestione ed aggiornamento della cartografia, pianificazione territoriale, catasto,
controllo dell'abusivismo edilizio, etc. ;

· Ambiente: classificazione multitemporale di uso e coperture del suolo, controllo e gestione dell'ecosistema, valutazioni di impatto ambientale, monitoraggio inquinamento, discariche e rifiuti urbani e industriali, gestione della rete idrica e aree umide, etc.;
· Gestione del Rischio: monitoraggio di frane, subsidenze, alluvioni, vulcani e terremoti e valutazione dei danni, localizzazione di aree
inquinate, pianificazione delle strutture di pronto soccorso, etc.;
· Difesa del territorio: monitoraggio di obiettivi strategici, pianificazione e preparazione di missioni, verifica della pianificazione e degli accordi, controllo dell'industria estrattiva, etc.;· Mare e Aree Costiere: gestione delle coste, fenomeni di erosione costiera, monitoraggio aree glaciali, pianificazione e controllo delle rotte nautiche, presenza di alghe, etc.;
· Telecomunicazioni: pianificazione e supporto delle reti di trasporto e navigazione a scala urbana e internazionale, etc.;
· Media e Turismo: cartografia, pubblicità, educazione, analisi di proprietà, valorizzazione del territorio, etc..
Attualmente, nell'ambito del telerilevamento a microonde, i SAR rappresentano senza dubbio i sensori attivi più affidabili e maggiormente diffusi. Il SAR o Radar ad Apertura Sintetica, sfruttando lungo l'intera rotta di volo i ritorni provenienti da un generico punto a terra, simula di fatto un'antenna di grandi dimensioni fisiche, o, più precisamente, un allineamento di antenne di dimensioni reali posizionate lungo la direzione di volo, consentendo di raggiungere risoluzioni in azimuth molto spinte. Sensori di questo tipo sono stati, infatti, montati sui satelliti ERS1 ed ERS2 (in orbita, rispettivamente, dal 1991 e dal 1995) e sul satellite ENVISAT
nell'ambito del progetto Osservazione della terra, gestito e finanziato da ESA (European Space Agency).
Allo stesso modo la missione COSMO Sky Med, concepita da Alenia Spazio, gestita e finanziata da ASI (Agenzia Spaziale Italiana) e finalizzata al lancio diuna costellazione di sette satelliti con i quali è stato effettuato il telerilevamento ottico e radar su una vasta area del Mediterraneo, ha previsto l'utilizzo di SAR.

L'attività di ricerca nel settore del telerilevamento a microonde ha condotto negli anni scorsi alla ideazione e sviluppo di modelli elettromagnetici appropriati alla simulazione di segnali SAR (Radar ad Apertura Sintetica) e alla relativa stesura di codici numerici di simulazione per diverse modalità operative e per diversi tipi di scena osservata (scene terrestri naturali, urbane, oceaniche). Infatti il progetto di un SAR richiede innanzitutto la presenza di un simulatore numerico che riesca anzitutto a riprodurre il segnale trasmesso dal sensore e diffuso dalla superficie (mappa di riflettività) e poi ad elaborare il segnale diffuso per simulare il reale segnale grezzo ricevuto dal sensore. Per tale motivo la simulazione del segnale grezzo SAR si basa su tre modelli:Modello di superficie, che consente di descrivere la scena a terra;

· Modello di scattering, che essenzialmente consente di ricavare la mappa di riflettività;
· Modello radar, che invece, permette di stimare la funzione risposta impulsiva del sistema SAR, e quindi di calcolare il segnale grezzo tramite una opportuna serie di operazioni con la mappa di riflettività.
In questa tesi non ci si è soffermati sul modello radar e sulle tecniche di acquisizione ed analisi delle immagini telerilevate, bensì sui modelli di superfici naturali e sui modelli di diffusione elettromagnetica trattati entrambi nel capitolo 2; di solito le superfici naturali vengono descritte statisticamente in termini di processi aleatori bidimensionali stazionari con assegnata densità di probabilità (pdf) e funzione di autocorrelazione. In realtà una tale descrizione ha condotto a dei risultati non troppo coerenti con quelli ricavati da misure reali ed è per tale motivo che sono stati introdotti i modelli frattali come l’fbm (moto frazionario browniano) e WM (Weierstrass-Mandelbrot). Per quanto riguarda, invece, i modelli di scattering, ne sono stati sviluppati diversi, basati sulle approssimazioni di Kirchhoff e delle piccole perturbazioni e sul metodo delle condizioni al contorno estese (EBCM), per la valutazione della diffusione da superfici descritte tramite il moto frazionario Browniano o la funzione di Weierstrass-Mandelbrot.
Nel capitolo 2, inoltre, viene evidenziato anche l’uso congiunto dei modelli di superficie e di scattering, che come detto precedentemente stanno alla base di un qualsiasi simulatore numerico (non solo SAR) e che permettono di risolvere quello che va sotto il nome di problema diretto: noti il profilo altimetrico della scena e le caratteristiche elettromagnetiche del terreno (costante dielettrica e conducibilità), viene ricavato il ritorno elettromagnetico (e quindi il coefficiente di backscattering) e successivamente il segnale grezzo tramite un opportuno modello radar.
La ricerca sta ora proseguendo secondo due linee: da un lato, per il calcolo del campo diffuso da tali superfici si cerca di utilizzare nuovi metodi con ambiti di validità più ampi, come ad esempio il metodo dell'equazione integrale (IEM); dall'altro, si stanno valutando i regimi di validità dei modelli già sviluppati.
Una ulteriore linea di ricerca prevede l’impiego dei modelli di diffusionesviluppati nella determinazione di tecniche per la stima dei parametri dielettrici e di rugosità del suolo a partire da misure di campo diffuso: questo è, invece, il problema inverso. In quest’ultimo caso, quindi, a partire ad esempio dalla misura del coefficiente di backscattering si deve risalire, tramite l’implementazione di opportuni algoritmi, ai parametri superficiali. Questo aspetto viene trattato nei capitoli 3 e 4; nel terzo vengono elencati e discussi i principali modelli teorici, empirici e semi-empirici di recupero dei parametri dielettrici e di rugosità presenti in letteratura, mentre nel quarto viene proposto un algoritmo di recupero di parametri classici e frattali da misure di campo diffuso. In particolare la procedura implementata viene applicata in primo luogo a dati simulati con e senza rumore per testarne l’efficienza e poi a dati sperimentali in nostro possesso ed i differenti risultati ottenuti rispettivamente nel caso classico e frattale sono presentati.

 

 

 

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http://www.matematicamente.it//tesi/DeRosa-Inversione_parametri.pdf 

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